从木棉中提取的生物炭增强了氧卤化铋的活性，通过定向光电子迁移实现了高效的海水净化

《Chemical Engineering Science》：Kapok-derived biochar enhanced activation of bismuth oxyhalide for efficient seawater purification via oriented photoelectron migration

光催化降解海水污染物方面，通过 Kapok 生物炭载体的一锅水热法合成了 BiOCl 和 BiOBr 纳米片。KC 的多孔结构促进均匀分散并优化电子转移，BOB/KC-4.5 催化剂在自然海水中的降解效率最高，且经毒理学评估证实安全。

　　

唐琦|王崇泰|刘金源|朱兴旺|吴道雄|韩慧敏|谢正|刘高峰|王斌|Paul K. Chu|华英杰

海南师范大学化学与化学工程学院，海南省电化学储能与能量转换重点实验室，海口市电化学储能与光能转换材料重点实验室，中国海南省海口市571158

摘要

利用太阳能驱动海水污染物的光催化分解具有重要意义。本文设计了一种简便的一锅法溶热策略，在木棉衍生生物炭（KC）上原位合成铋氧卤化物（BiOX，其中X = Cl, Br）纳米片，用于太阳能驱动的海水环境污染物的光催化分解。综合表征和密度泛函理论（DFT）计算表明，KC是促进BiOX纳米片均匀生长并调节其电子结构的理想载体。BiOX与KC之间的紧密界面促进了BiOX向KC的高效光生电子转移，从而保留了更多的光生电子和空穴。特别是当KC占总质量的4.5%时（记为BOB/KC-4.5），该复合材料表现出最高的光催化活性，并且能够在天然海水中降解污染物。毒理学评估证实了该光催化系统的环境安全性，因为净化后的溶液对绿豆芽的生长没有不良影响。这些结果揭示了一种设计高性能生物炭基光催化剂的可行策略，具有实际应用于海水净化和环境修复的潜力。

引言

随着快速的城市化和人口增长，有机染料和抗生素药物的使用日益普遍（Costanzo等人，2024年；Thakur等人，2025年）。然而，这些有机物质无法被人类和其他生物完全吸收。大量残留物释放到环境中，对水资源和海洋环境构成了严重威胁（Gao等人，2024b年；Yu等人，2025年）。因此，解决海洋持久性有机污染问题迫在眉睫。尽管光催化是一种高效、清洁且可持续的水净化方法，适用于淡水处理（Wang等人，2023a年；Wang等人，2022年），但由于光催化剂的稳定性限制以及海水中高盐度成分的干扰，其在海水净化中的应用受到限制。

BiOX（X = Cl, Br, I）是一种具有优异光催化性能的半导体，已被研究用于染料、抗生素和其他污染物的降解（Qing等人，2024年）、氢气生产（Liu等人，2023年）、CO₂还原（Liu等人，2024年）等应用（Li等人，2023年；Vinoth等人，2022年）。其独特的层状结构由[Bi₂O₂]²⁺和卤素离子交替组成，具有低毒性、低成本和耐腐蚀性（Wang等人，2023b年；Chawla等人，2023年）。然而，BiOX仍存在实际限制，如载体分离效率不佳、太阳光利用不足以及比表面积小（Chen等人，2025年；Qiu等人，2021年）。为了提高BiOX的光催化活性，已经提出了异质结工程、元素掺杂、缺陷工程、表面修饰/功能化以及形态和结构优化等策略（Saito等人，2023年；Vinoth等人，2022年；Ali等人，2023年）。

生物炭来源于农业废弃物、林业残余物和城市污泥，成本低廉且易于获取，有利于绿色和可持续发展。研究表明，生物炭是一种经济且环保的共催化剂，可以提高催化活性（Yu等人，2024年；Lefebvre等人，2023年；Fang等人，2025a年）。Gao等人报告称，g-C₃N₄/生物炭复合材料在阳光照射下的氢气生成反应（HER）速率比纯g-C₃N₄高2.1倍（Gao等人，2024年）。Li等人研究了电子转移机制，发现基于生物炭的材料在模拟阳光照射下的CO生成速率为33.3 μmol g^–1 h^–1（Li等人，2022年）。这些发现突显了生物炭在光催化应用中的潜力。可再生且高度多孔的天然植物纤维（如木棉）可用于制备高性能生物炭（Fang等人，2025b年）。实际上，木棉衍生生物炭（KC）具有独特的三维中空微管结构，孔隙率超过80%，中空率高达97%（Guo等人，2023年），作为理想的电子受体，能够改善载体的迁移并抑制载体复合（Wang等人，2025年；Fang等人，2025c年；Tang等人，2024年）。

在本研究中，通过甘露醇辅助的溶热方法在木棉衍生的中空碳微管上制备了含有x wt% KC的BiOX/KC复合材料（记为BOX/KC-x，其中X = C或B；C和B分别代表Cl和Br）。KC促进了BiOX的均匀形成并改善了其分散性，从而提高了入射光的利用效率和光生载体的定向迁移。光生电子的有效分离促进了活性氧物种的生成，用于有机污染物的净化。由于KC具有出色的稳定性和延长的循环寿命，BOC/KC-x和BOB/KC–x复合材料在天然海水中表现出优异的抗离子干扰能力和循环稳定性。

材料与化学品

木棉产自中国广西南宁。其他化学品的详细信息列在表S1中。

KC的制备

将400毫克木棉纤维（具体形态见图S1）放入两个坩埚中，在N₂气氛下于管式炉中煅烧：以5 °C/min的速率加热至200 °C，并在该温度下保持1小时。随后，以5 °C/min的速率升温至800 °C并保持2小时。自然冷却后，获得了约85毫克的生物质碳。

形态与结构

为了研究材料的形态，进行了扫描电子显微镜（SEM）分析。如图1b和图S2所示，高温煅烧得到的KC的元素比为C: N: O = 91: 1: 8，表面光滑，具有微米级的中空管状结构，有利于铋氧卤化物的结合。通过溶热方法在KC上均匀制备的厚度约为25纳米的BOC纳米片（图1d）覆盖了整个KC表面，形成了BOC/KC（图1c）。

结论

设计并制备了KC/BiOX复合材料。通过溶热方法优化了其结构，以提高对可见光的响应性和氧化还原性能。XPS和理论计算表明，KC促进了光生电子从铋氧卤化物的转移。这一过程促进了光生电子-空穴对的分解，使得更多的光生电子和空穴得以保留。与BOB单体相比，

CRediT作者贡献声明

唐琦：撰写——初稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。王崇泰：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、资金申请。刘金源：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、概念化。朱兴旺：资源获取、研究、数据分析。吴道雄：资源获取、研究、数据分析。韩慧敏：撰写——初稿、验证、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22462008、22562011、22308300）、海南省院士创新平台专项研究经费（YSPTZX202508）、海南省孙世刚院士创新中心经费、江苏省特聘教授计划、江苏省高级人才基金（JDKQ20251104）以及江苏省自然科学基金（BK20220598）的财政支持。